“水利一號”遙感衛(wèi)星實施洪澇全局監(jiān)測；無人機巡河，實時傳回流域動態(tài)；堤壩、閘站、水庫中數(shù)千個傳感器不間斷運轉(zhuǎn)，水位、流量等數(shù)據(jù)秒級更新；數(shù)字孿生系統(tǒng)精準(zhǔn)推演洪峰演進，為調(diào)度決策提供“智慧大腦”……“十四五”期間，各級水利部門按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，系統(tǒng)推進數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程建設(shè)，為流域安全、水資源調(diào)配、工程安全筑牢數(shù)字屏障，不斷將創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為摸得著的民生福祉。

  感知網(wǎng)絡(luò)越織越密

  “數(shù)字孿生水利不是簡單的數(shù)字復(fù)刻，而是打造一個能監(jiān)測、會分析、可預(yù)報的‘虛擬水利系統(tǒng)’。”浙江省水利廳廳長李銳舉例，以水庫為例，數(shù)字孿生體不僅能同步水位、庫容等實時數(shù)據(jù)，還能給出汛期暴雨、干旱缺水等場景下的調(diào)度方案，為防洪調(diào)度、供水保障提供科學(xué)依據(jù)。今年6月，梅雨疊加臺風(fēng)“蝴蝶”，錢塘江中上游出現(xiàn)強降雨，浙江省提前24小時準(zhǔn)確預(yù)報蘭溪洪峰流量，為富春江、分水江等水庫錯峰調(diào)度提供決策支持。

(相關(guān)資料圖)

  變幻莫測的水沙條件，如同一道復(fù)雜的考題，要精準(zhǔn)解題離不開強大的“智慧大腦”。

  受近期陜西降雨影響，黃河中游涇河、渭河出現(xiàn)明顯漲水過程，統(tǒng)籌考慮洪水防御和排沙減淤，9月8日9時起，水利部黃河水利委員會聯(lián)合調(diào)度三門峽、小浪底等水庫實施2025年黃河第二次調(diào)水調(diào)沙。

  “我們統(tǒng)籌運用衛(wèi)星遙感影像、無人機、測雨雷達、‘智能石頭’，利用光電測沙儀等監(jiān)測設(shè)備及水沙動力學(xué)、水工程調(diào)度模型，動態(tài)監(jiān)測調(diào)控水庫排沙與下游水沙變化情況，精準(zhǔn)預(yù)測工程可能出現(xiàn)的險情及河勢演變趨勢，迭代優(yōu)化調(diào)度方案。”水利部黃河水利委員會主任祖雷鳴介紹，根據(jù)數(shù)字孿生小浪底系統(tǒng)推演結(jié)果，此次調(diào)水調(diào)沙預(yù)計下泄水量約15億立方米，可對黃河下游河道進行有效沖刷，為河道減淤和提升行洪能力提供有力保障。

  如果說數(shù)字孿生是水利工程的“智慧大腦”，感知網(wǎng)絡(luò)便是連接物理世界與數(shù)字空間的“神經(jīng)末梢”。“以前山洪預(yù)警要等30分鐘，現(xiàn)在15分鐘就能精準(zhǔn)推送，為群眾轉(zhuǎn)移搶出寶貴時間。”浙江省水文管理中心副主任童增來介紹，提升預(yù)警時效，核心在于加快數(shù)據(jù)采集傳輸速度。這些年，浙江對69個山洪災(zāi)害防治縣的1.15萬個重點村落逐一摸排，升級改造水文測站遙測終端，基本實現(xiàn)“鎮(zhèn)鎮(zhèn)有水位、村村有雨量”。

  建設(shè)數(shù)字孿生水利體系是實現(xiàn)“推動水利高質(zhì)量發(fā)展、保障我國水安全”的必由之路。目前，我國已基本形成涵蓋31顆遙感衛(wèi)星、100多部測雨雷達、4800多架無人機、13.3萬處地面水文報汛站、30多萬處工程安全監(jiān)測點的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知系統(tǒng)。

  “今年‘七下八上’防汛關(guān)鍵期，我們充分發(fā)揮‘天空地水工’一體化監(jiān)測感知體系作用，建成了覆蓋72類2600萬水利對象的數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)底板，生成10米格網(wǎng)精度的全國數(shù)字流域水系，多維度掌握河道、水庫、蓄滯洪區(qū)等流域下墊面、淹沒面積、工程險情等動態(tài)變化數(shù)據(jù)，為水旱災(zāi)害防御決策提供了有力數(shù)據(jù)支撐。”水利部信息中心主任付靜說。

  水資源調(diào)配能力提升

  9月13日23時，隨著西遼河干流補水水頭成功抵達安樂屯，與下游既有水面銜接，西遼河干流年內(nèi)再次實現(xiàn)全線過流，流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好。

  在這場河流復(fù)蘇行動中，為最大程度發(fā)揮每立方米水資源的作用，水利部松遼水利委員會持續(xù)完善“天空地水工”一體化監(jiān)測感知網(wǎng)，進一步優(yōu)化數(shù)字孿生西遼河功能，實現(xiàn)了對復(fù)雜水資源調(diào)度過程的實時感知、動態(tài)模擬、智能研判和精準(zhǔn)決策。“數(shù)字孿生西遼河平臺可實時匯集1.7萬多處降水、地表、地下、取用水等監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，滾動預(yù)演河道水流傳播時間、組合流量、演進過程，優(yōu)化調(diào)度水庫蓄水、雨洪水、外調(diào)水和再生水，以求得調(diào)水最優(yōu)解。”水利部松遼水利委員會總規(guī)劃師林嵐說。

  數(shù)字孿生水利體系為水網(wǎng)調(diào)度提供了有力的數(shù)據(jù)保障。浙江省寧波市布設(shè)了超1.4萬個監(jiān)測感知點位，覆蓋水庫、供水等七大類水利工程，海量數(shù)據(jù)實時匯聚指揮中樞。在此基礎(chǔ)上，寧波構(gòu)建了“庫群互聯(lián)、三網(wǎng)協(xié)同”智慧水網(wǎng)體系，建成數(shù)字孿生水網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合供水、雨水、污水“孿生三網(wǎng)”，實現(xiàn)“源頭—水廠—龍頭”全鏈條監(jiān)管。

  “輸入100天供水需求，系統(tǒng)會自動優(yōu)化水庫、水廠調(diào)配方案，甚至規(guī)劃備用水源啟用。”浙江省寧波市水資源管理中心相關(guān)負責(zé)人周陽靖介紹，2024年抗旱期間，寧波通過數(shù)字孿生水網(wǎng)統(tǒng)籌水庫蓄水、協(xié)調(diào)跨區(qū)域引水，累計向城區(qū)增供原水2100萬立方米，將城區(qū)供水保證率穩(wěn)定在99.8%。

  在水資源管理領(lǐng)域，智慧化監(jiān)測技術(shù)還在持續(xù)延伸應(yīng)用觸角。今年2月28日，南水北調(diào)工程安全度過第11個冰期輸水階段，其中南水北調(diào)中線工程較計劃向京津冀多調(diào)水0.41億立方米。

  “以往調(diào)度多依賴經(jīng)驗判斷與人工計算，如今依托智能調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，可實現(xiàn)輸水能力自動評估與供水方案動態(tài)優(yōu)化。”中國南水北調(diào)集團有限公司總經(jīng)理孫志禹介紹，數(shù)字孿生南水北調(diào)中線系統(tǒng)構(gòu)建了數(shù)理與機理相結(jié)合的水溫及冰凌預(yù)報模型，融合了水力學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科算法，成功實現(xiàn)動態(tài)輸水工況下冰蓋生消演變的精準(zhǔn)模擬。

  如今，數(shù)字孿生水利體系通過統(tǒng)籌流域和區(qū)域生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水，實現(xiàn)水資源精準(zhǔn)預(yù)報、預(yù)警與調(diào)度，在不同來水與需水情境下優(yōu)化配置方案，真正實現(xiàn)“精打細算用好水資源、從嚴(yán)從細管好水資源”。

  科技成果加速應(yīng)用

  從“人防”到“技防”，從“間斷巡查”到“實時監(jiān)控”……當(dāng)前，我國數(shù)字孿生水利建設(shè)已由積極探索、先行先試，進入全面深化推進和強化應(yīng)用的新階段。

  一方面，“水利一號”遙感衛(wèi)星組網(wǎng)并持續(xù)開展洪水、冰磧湖等監(jiān)測工作，100多部水利測雨雷達組網(wǎng)運行。無人機搭載紅外相機、激光雷達等，初步實現(xiàn)對堤壩等水利工程風(fēng)險隱患的外部檢測；機器狗、機器人加速應(yīng)用于工程裂縫、滲漏等異常情況排查。

  另一方面，研發(fā)應(yīng)用水平持續(xù)提升，已研發(fā)“云—雨”降水預(yù)報模型、分布式洪水預(yù)報模型、水動力學(xué)洪水傳導(dǎo)演進模型，進一步延長洪水預(yù)見期、提高預(yù)報精準(zhǔn)度，為抵御流域性洪水提供了有力支撐。自主研發(fā)的太湖風(fēng)浪模型在臺風(fēng)“竹節(jié)草”期間預(yù)測湖面最大傾斜與實測數(shù)據(jù)基本一致。甘肅、江西等地研發(fā)作物需水、渠系動態(tài)優(yōu)化配水等模型，實現(xiàn)灌區(qū)作物高效節(jié)水灌溉。

  付靜介紹，今年“七下八上”防汛期間，通過研發(fā)短臨降水預(yù)報模型、氣象水文耦合模型和知識圖譜，提前預(yù)測汛情。

  流域防洪方面，初步建成七大流域防洪“四預(yù)”決策支持系統(tǒng)，主要江河關(guān)鍵期洪水預(yù)報準(zhǔn)確率達90%以上。水資源管理與調(diào)配方面，在確保防洪安全的前提下科學(xué)攔蓄、調(diào)度雨洪資源，為太湖流域抗咸保供、珠江流域壓咸補淡，以及京杭大運河生態(tài)補水等工作贏得主動。工程管理調(diào)度方面，通過在線監(jiān)測和智能分析，在確保工程安全的前提下充分發(fā)揮工程綜合效益。

  建設(shè)數(shù)字孿生水利體系重在應(yīng)用與實效。水利部部長李國英表示，要準(zhǔn)確把握數(shù)字孿生水利體系建設(shè)面臨的新形勢新任務(wù)新要求，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”原則，加快構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知系統(tǒng)，加強數(shù)據(jù)采集與歸集共享，加快監(jiān)測技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用，加大科技支撐力度，對水利治理管理對象實施全覆蓋、全空間、全要素、全天候監(jiān)測感知，確保精準(zhǔn)性、同步性、及時性。